楊全，孫小平

（1.航空工業(yè)西飛設(shè)計(jì)院 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度所，西安 710072；2.駐西安地區(qū)第一軍事代表室，西安 710072）

0 引言

航空有機(jī)玻璃是一種輕質(zhì)透明材料，常用在飛機(jī)座艙、風(fēng)擋、舷窗等部位，艙窗玻璃一般是由內(nèi)外層玻璃組成的套件，其面積較大，裸露于大氣環(huán)境中。在飛機(jī)從地面到空中再到地面的飛行過(guò)程中，外部溫度從地面常溫到高空零下幾十?dāng)z氏度的冷熱變化，同時(shí)還將承受從地面的正常大氣壓到升空后的外部壓力降低引起的壓差載荷及部件裝配時(shí)強(qiáng)迫位移引起的安裝應(yīng)力。復(fù)合材料的有機(jī)玻璃在受到溫度變化和機(jī)械應(yīng)力變化的反復(fù)循環(huán)中常會(huì)誘發(fā)玻璃銀紋。銀紋出現(xiàn)初期將會(huì)影響透視效果，特別是駕駛艙上的玻璃銀紋尤為明顯，另外，銀紋也是有機(jī)玻璃發(fā)生失效的先兆，是復(fù)合材料的有機(jī)玻璃發(fā)生疲勞破壞的必然過(guò)程，如果不采取有效措施消除隱患，就可能造成嚴(yán)重的安全后果。通常玻璃銀紋會(huì)在外部環(huán)境作用下持續(xù)加重，最后發(fā)展成裂紋，導(dǎo)致玻璃破碎，曾出現(xiàn)過(guò)因銀紋發(fā)展成裂紋而導(dǎo)致座艙蓋玻璃破碎的事故，嚴(yán)重危害飛機(jī)的飛行安全，此問(wèn)題在20世紀(jì)50年代就引起了人們的重視，相應(yīng)的研究得到了很大的進(jìn)展。有機(jī)玻璃銀紋因其產(chǎn)生的原因不同而表現(xiàn)有所差別，因張應(yīng)力引起的銀紋較長(zhǎng)，呈有序狀態(tài)且走向多為垂直于張應(yīng)力方向；由溶劑引起的銀紋較密、較短、雜亂無(wú)序；當(dāng)應(yīng)力與溶劑共同作用時(shí)產(chǎn)生的銀紋具備以上兩種銀紋的特征。目前國(guó)內(nèi)常使用的5種玻璃材料：2號(hào)定向（YB-2）、3號(hào)定向（DYB-3），3號(hào)不定向（YB-3）、4號(hào)定向（DYB-4）、4號(hào)不定向（YB-4）有機(jī)玻璃，根據(jù)外場(chǎng)使用情況的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，玻璃銀紋出現(xiàn)率都比較高，尤其2號(hào)、4號(hào)玻璃更高一些，2號(hào)玻璃銀紋出現(xiàn)率為20%～30%[1]。在飛機(jī)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和服役期間，玻璃銀紋一直受到科技人員的高度重視。

1 問(wèn)題描述與分析

某飛機(jī)一艙蓋玻璃長(zhǎng)寬尺度為400 mm×300 mm，由一塊單曲面的YB-2有機(jī)玻璃加工而成，玻璃厚度為16 mm，四周安裝邊制有下陷，其厚度為8 mm，玻璃的3個(gè)安裝邊的寬度為20 mm，另一邊寬度為36 mm，四周安裝邊通過(guò)型材條帶將玻璃壓裝在機(jī)身口框上。根據(jù)外場(chǎng)檢查結(jié)果，有多架飛機(jī)在較短期服役內(nèi)出現(xiàn)銀紋，且銀紋均產(chǎn)生在外表面，出現(xiàn)在同一邊區(qū)域的頻次高、較嚴(yán)重，銀紋疏密適度，銀紋走向與邊同向，而其他三邊區(qū)域出現(xiàn)銀紋很少且輕，由此初步研判銀紋與安裝位置有關(guān)，如圖1所示。

圖1 艙蓋玻璃形狀

2 理論分析

玻璃件為單曲面幾何外形，加工難度大，使玻璃與口框存在加工制造誤差，導(dǎo)致裝配時(shí)貼合度不好。另外，大的安裝面也會(huì)降低兩面的貼合度，會(huì)因消除裝配間隙量帶來(lái)的強(qiáng)迫裝配應(yīng)力，將增大玻璃表面的張應(yīng)力。

矩形玻璃四周邊緣由壓板夾緊，四周邊緣的各點(diǎn)撓度為0，可以認(rèn)為四邊為固支邊緣，在受均布載荷作用下，求解產(chǎn)生的邊緣力矩，可根據(jù)疊加法原理把面板分解為受均

圖2 均布受載矩形板分解示意圖

用矩形板撓度函數(shù)W(x,y)來(lái)表示面板在載荷作用下的實(shí)際變形，分別以W1、W2、W3表示在均布載荷作用下和邊緣力矩作用下的各基體面板結(jié)構(gòu)的撓度，依據(jù)疊加法原理可得

通過(guò)數(shù)值漸進(jìn)方法得出近似解[2]，在邊緣的中間力矩最大。再由材料力學(xué)中的彎曲應(yīng)力可得出因力矩而在上下表面產(chǎn)生最大應(yīng)力[3]。

3 有限元數(shù)值模擬

根據(jù)窗玻璃的幾何尺寸，采用有限元法建立有限元強(qiáng)度分析模型，為能很好地表征結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，同時(shí)也能很好地保證計(jì)算精度，用正六面體單元離散艙蓋結(jié)構(gòu)，為解決體單元構(gòu)建計(jì)算模型出現(xiàn)“沙漏”的現(xiàn)象，在矩形玻璃的四周安裝邊厚度方向上布置了4層單元，其它區(qū)域厚度方向布置了6層單元，如圖3所示。矩形玻璃艙蓋為帶曲率的單曲面面板，氣密壓差載荷、壓緊條帶的約束及強(qiáng)迫裝配位移量的施加的作用方向均為結(jié)構(gòu)局部曲面法向量，在全局直角坐標(biāo)系下對(duì)模型施加邊界條件難度較大。為了更貼近真實(shí)物理情況，考慮曲度對(duì)所要約束邊或量的影響，通過(guò)建立局部圓柱坐標(biāo)系，使Z軸與曲面面板的中心軸線重合，依據(jù)零件的實(shí)際安裝情況，在局部坐標(biāo)中對(duì)其邊界進(jìn)行徑向、環(huán)向、Z向約束，結(jié)構(gòu)模型的應(yīng)力、應(yīng)變計(jì)算結(jié)果也在此局部坐標(biāo)系下給出，便于分析。窗玻璃所受的氣密載荷取限制載荷P，裝配應(yīng)力因消除裝配間隙S而產(chǎn)生，現(xiàn)只假設(shè)寬邊的安裝存在裝配間隙量S，根據(jù)裝配間隙量對(duì)模型施加強(qiáng)迫位移，其它3邊無(wú)裝配間隙量。

圖3 有限元模型

3.1 計(jì)算結(jié)果

整個(gè)分析模型采用MSC.NASTRAIN進(jìn)行求解，在氣密載荷和裝配間隙量多種組合工況下玻璃的最大計(jì)算應(yīng)力如表1所示。這里選列了3種工況的計(jì)算應(yīng)力云圖，如圖4所示。YB-2航空有機(jī)玻璃的主要成分為聚甲基丙烯酸甲脂，其力學(xué)性能如表2[4]所示，表中給出了大氣老化后的有機(jī)玻璃抗銀紋的應(yīng)力值。

表1 玻璃計(jì)算應(yīng)力值

表2 玻璃試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖4 應(yīng)力云圖（S=1 mm）

3.2 結(jié)果分析

銀紋是在一定載荷條件下瞬時(shí)產(chǎn)生的，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定值時(shí)，銀紋就會(huì)出現(xiàn)[5]。從表2中試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，無(wú)論何種狀態(tài)下，隨著玻璃工作時(shí)間的增長(zhǎng)，抵抗銀紋出現(xiàn)的臨界應(yīng)力值在逐步遞減。當(dāng)有溶劑影響時(shí)，有機(jī)玻璃抗銀紋的應(yīng)力比無(wú)溶劑影響的應(yīng)力要低。玻璃艙蓋在大氣環(huán)境中工作是不可回避的，只有通過(guò)降低玻璃的使用應(yīng)力水平來(lái)延長(zhǎng)玻璃出現(xiàn)銀紋的時(shí)間。根據(jù)表1中的計(jì)算數(shù)據(jù)，玻璃的應(yīng)力值與氣密載荷、裝配間隙量成線性關(guān)系，只要最大計(jì)算值不超過(guò)出現(xiàn)應(yīng)力銀紋的應(yīng)力臨界值，這種線性關(guān)系是成立的。在飛機(jī)進(jìn)行2倍純氣密載荷試驗(yàn)中，玻璃未出現(xiàn)銀紋現(xiàn)象，對(duì)比表1和表2可知，在2倍氣密載荷下，最大計(jì)算應(yīng)力值為12 MPa，小于出現(xiàn)應(yīng)力銀紋的臨界值，這與試驗(yàn)結(jié)果相符。在限制氣密載荷下，在短時(shí)期內(nèi)不足以引起形貌分明的應(yīng)力銀紋或應(yīng)力-溶劑銀紋，由此可確定裝配間隙量對(duì)銀紋的出現(xiàn)影響較大。從圖5得出，在純氣密載荷下，大應(yīng)力區(qū)域分布在周邊緣處，且每邊的最大應(yīng)力都出現(xiàn)在每邊的邊緣中部。從圖6得出，裝配間隙量主要影響相應(yīng)邊的局部區(qū)域，而對(duì)其它邊的影響很小。綜合兩種影響因素及其產(chǎn)生的應(yīng)力水平和分布，裝配時(shí)的強(qiáng)迫位移使得分析結(jié)果更貼合故障現(xiàn)象。

圖5 應(yīng)力云圖（2P=0.082 MPa）

圖6 應(yīng)力云圖（2P+S）

4 結(jié)語(yǔ)

1）根據(jù)理論分析和故障現(xiàn)象，驗(yàn)證了建立計(jì)算模型方法的正確性；2）氣密載荷與裝配間隙量對(duì)結(jié)構(gòu)的影響有疊加效應(yīng)；3）在氣密載荷作用下，應(yīng)力水平較低，影響區(qū)域主要在周邊，短邊比長(zhǎng)邊受載稍嚴(yán)重，每邊的應(yīng)力值都呈現(xiàn)兩端低、中間高的分布；4）裝配間隙量影響相應(yīng)邊的局部區(qū)域，高應(yīng)力區(qū)域沿相應(yīng)邊成帶狀分布，對(duì)其它邊的應(yīng)力水平影響較小，有效地改善裝配安裝面的貼合度，將能很好地提高玻璃使用年限。